01 Introducción
En medio del cambio de la industria automotriz global hacia la electrificación, las baterías eléctricas, como fuente de energía principal de los vehículos de nueva energía, determinan la competitividad de mercado de los vehículos eléctricos a través de su rendimiento, seguridad y costo. La fabricación de baterías eléctricas es un proceso complejo que implica conocimientos interdisciplinarios que incluyen ciencia de materiales, electroquímica e ingeniería de precisión. La tecnología de conexión de alta-calidad es un vínculo crucial en todo este proceso. Los métodos de unión tradicionales, como la soldadura por resistencia y la soldadura ultrasónica, muestran cada vez más limitaciones-como grandes efectos térmicos, mala consistencia y ventanas estrechas de parámetros de proceso-cuando se enfrenta a la producción automatizada a gran-escala de baterías eléctricas y al manejo de materiales de alta conductividad térmica como el cobre y el aluminio. La tecnología de soldadura láser, con su alta densidad de energía, entrada de calor controlable, naturaleza sin contacto y facilidad de automatización, cumple con los estrictos requisitos de la fabricación de baterías eléctricas en cuanto a precisión, eficiencia y confiabilidad, y se ha convertido en un proceso central en todo el flujo de trabajo, desde la producción de celdas hasta el ensamblaje del paquete de baterías. Este artículo tiene como objetivo ilustrar las aplicaciones específicas de la tecnología de soldadura láser en diferentes etapas de fabricación de baterías eléctricas y resumir su importante papel en la promoción del desarrollo de la industria de las baterías eléctricas.
02 Aplicación en la etapa de fabricación de celdas de batería
La celda de la batería es la unidad fundamental de una batería de potencia, y su precisión de fabricación y sellado son garantías esenciales de la seguridad y el rendimiento de la batería. La soldadura láser se utiliza principalmente para la conexión precisa y el sellado final de celdas de batería. En primer lugar, para las conexiones eléctricas dentro de la celda de la batería, se utiliza soldadura láser para soldar las pestañas. Una vez completado el proceso de bobinado o apilamiento, es necesario soldar firmemente las lengüetas de los electrodos positivo (lámina de aluminio) y negativo (lámina de cobre), que pueden consistir en docenas o incluso cientos de capas, junto con los colectores de corriente, y formar una vía eléctrica confiable con los terminales externos o piezas de conexión, como se muestra en la Figura 1. La soldadura láser puede fusionar instantáneamente estos materiales delgados con duraciones de pulso extremadamente cortas, formando puntos de soldadura con baja resistencia y alta resistencia. Su ventaja radica en la mínima zona afectada por el calor-, lo que evita eficazmente el daño por calor a los separadores y materiales activos vecinos, preservando así el rendimiento electroquímico de la celda de la batería.
En segundo lugar, en la etapa final de embalaje de las celdas de la batería, la soldadura láser es uno de los métodos eficaces para lograr un sellado hermético. Al mismo tiempo, la soldadura láser se utiliza para conectar la cubierta superior y la carcasa tanto en baterías con carcasa de aluminio cuadrada como en baterías con carcasa de acero cilíndrica. Al controlar con precisión la potencia, la velocidad y la posición focal del láser, se puede formar una costura de soldadura continua, suave y densa en la carcasa, evitando eficazmente las fugas de electrolitos y la entrada de humedad externa, asegurando la estabilidad química de la celda de la batería durante toda su vida útil. Para las celdas de bolsa, la soldadura láser se utiliza en los procesos de sellado superior y lateral, soldando las pestañas que sobresalen a las piezas de transición protectoras y de conexión (generalmente cobre o aluminio niquelado-). Su naturaleza sin-contacto garantiza la eficiencia del embalaje y cero daños al material de embalaje de película plástica de aluminio-, como se muestra en la Figura 2.
03 La aplicación en la etapa de ensamblaje de módulos y paquetes de baterías implica la integración de celdas individuales en módulos y paquetes de baterías, requiriendo una gran cantidad de conexiones eléctricas y sujeción estructural. Esta es la etapa donde la soldadura láser es más concentrada y técnicamente desafiante. En cuanto a conexiones eléctricas, la aplicación principal es la soldadura en serie y en paralelo entre celdas. Al conectar las barras colectoras (generalmente barras de aluminio o cobre) a los terminales de la celda, se construye el sistema de circuito eléctrico de todo el paquete de baterías.
Las dificultades en este proceso radican en: 1) desafíos en las características de los materiales:-el cobre y el aluminio tienen una alta reflectividad frente a los láseres infrarrojos comúnmente utilizados y una alta conductividad térmica, lo que dificulta la soldadura; 2) unir materiales diferentes, como la conexión entre barras colectoras de cobre y terminales de aluminio, que es propensa a formar compuestos intermetálicos frágiles (IMC) que afectan la confiabilidad-a largo plazo de la conexión. Para abordar estos desafíos, la industria ha desarrollado procesos avanzados como la soldadura láser oscilante, la soldadura híbrida (por ejemplo, arco láser-) y el uso de láseres de nuevas longitudes de onda, como los láseres verdes o azules. Estas tecnologías suprimen eficazmente defectos como salpicaduras y porosidad y controlan el espesor de la capa de IMC al expandir el baño fundido, mejorar la agitación y aumentar la absorción de energía, logrando así conexiones eléctricas. En cuanto a las uniones estructurales, la soldadura láser también juega un papel importante. Por ejemplo, se puede utilizar para componentes estructurales como placas laterales de módulos y placas finales que aseguran las celdas, así como para conectar la carcasa y la cubierta del paquete de baterías. En comparación con las conexiones tradicionales de tornillo o remache, la soldadura láser puede lograr un mayor grado de integración y resistencia estructural, lo que ayuda a mejorar la resistencia del paquete de baterías a la vibración y al impacto. Además, las pequeñas soldaduras en los circuitos de adquisición de sensores de voltaje y temperatura en los sistemas de administración de baterías se realizan cada vez más mediante soldadura láser para garantizar la estabilidad y confiabilidad a largo plazo de la adquisición de señales.
04 Resumen La tecnología de soldadura láser, con su alta precisión, velocidad y confiabilidad, se ha integrado en cada paso de la fabricación de baterías eléctricas. Desde la soldadura de pestañas de celdas a microescala hasta las conexiones estructurales de paquetes de baterías a macroescala, desde empaques herméticos que garantizan la seguridad de las celdas hasta conexiones eléctricas de baja-resistencia que determinan el rendimiento de la batería, la soldadura láser desempeña un papel fundamental insustituible. No solo resuelve eficazmente los desafíos del procesamiento de materiales difíciles-de-soldar, como el cobre y el aluminio, cumpliendo con los requisitos de eficiencia y consistencia de la producción automatizada a gran-escala, sino que también maximiza la protección del rendimiento electroquímico de la batería mediante un control preciso del calor de soldadura. La maduración y el desarrollo de la tecnología de soldadura láser se han convertido en un motor tecnológico clave que impulsa aumentos en la densidad de energía de las baterías, reducciones en los costos de fabricación y mejoras en el desempeño de seguridad, proporcionando una base de fabricación sólida para el rápido desarrollo de la industria global de vehículos de nueva energía.
